聚合酶、DNA、γ-2； POLG2

POLG，配件子单元
POLG-β； POLGB

HGNC 批准的基因符号：POLG2

细胞遗传学位置：17q23.3 基因组坐标（GRCh38）：17:64,477,785-64,497,054（来自 NCBI）

▼ 说明

线粒体 DNA（mtDNA） 复制的准确性取决于许多核编码蛋白的协调作用以及线粒体基质内核苷酸的正确平衡。 mtDNA 由 DNA 聚合酶 γ 复制，该酶由 140 kD 催化亚基（POLG1；174763）和 55 kD 辅助亚基（POLG2）组成。

▼ 克隆与表达

Wang 等人通过使用果蝇 Polg-β 亚基推导的氨基酸序列搜索 EST 数据库作为查询（1997） 鉴定了编码人类 POLG2 的 cDNA，他们将其称为 POLG-β。推导的 372 个氨基酸 POLG2 蛋白与 361 个氨基酸的果蝇同源物具有 31% 的氨基酸同一性； POLG2 C 末端的亮氨酸拉链基序具有 55% 的同一性。然而，人类 POLG2 蛋白的中间部分具有锌结合特征序列，而不是像果蝇蛋白那样具有锌指基序。

Carrodeguas 和 Bogenhagen（2000） 指出 Wang 等人报道的 POLG2 序列（1997） 与 Xenopus Polg2 相比，缺乏 N 端线粒体定位信号。通过在 EST 数据库中搜索与非洲爪蟾 Polg2 N 末端同源的序列，并使用基于 PCR 的克隆策略，他们分离出了编码假定的 485 个氨基酸的人类 POLG2 蛋白的 cDNA，他们将其称为 POLG2B。序列分析表明，该 POLG2 克隆相对于 Wang 等人报道的序列包含 2 个移码（1997），编码的蛋白质包含上游 25 个氨基酸线粒体定位信号。使用细菌产生的 POLG2 进行的滴定实验表明，要最大程度地刺激 POLG1 活性，需要稍微过量的 POLG2。免疫印迹分析表明，重组和线粒体 POLG2 与 POLG1 共纯化，并且 POLG2 表达为大约 54 kD 的蛋白质。 Carrodeguas 和 Bogenhagen（2000） 指出 POLG2 与 II 类氨酰基-tRNA 合成酶高度同源（参见 EPRS；138295）。

▼ 基因结构

朗利等人（2006）指出POLG2基因包含8个编码外显子。

▼ 测绘

朗利等人（2006） 指出 POLG2 基因定位于染色体 17q。

▼ 生化特征

卡罗德瓜斯等人（2001） 确定了小鼠 Polgb 的晶体结构，它是线粒体复制机制的核心组成部分。他们发现 Polgb 与甘氨酰-tRNA 合成酶（GARS；600287）表现出高度相似性，并通过不寻常的分子间 4 螺旋束形成二聚体。缺乏 4 螺旋束的人类 POLGB 突变体无法在溶液中二聚化或刺激催化亚基 POLGA，但它保留了与 POLGA 结合到引物模板构建体的能力，表明功能性全酶含有 2 个 POLGB 分子。其他突变体保留了刺激活性，但失去了结合折叠单链 DNA 的能力。这些结果表明 POLGB 二聚体包含用于 POLGA 结合、二聚化和 DNA 结合的不同位点。

▼ 分子遗传学

伴有线粒体 DNA（mtDNA） 缺失的常染色体显性遗传性进行性眼外肌麻痹 4

基于 p55 辅助亚基对于高度持续 mtDNA 合成和 DNA 聚合酶 G 全酶增强 DNA 结合的重要作用，Longley 等人（2006） 对 101 名进行性外眼肌麻痹（PEO） 患者进行了 POLG2 基因突变筛查。他们在 1 名患者中发现了杂合突变（G451E；604983.0001）。这种疾病（PEOA4；610131）被认为最有可能是通过突变和野生型蛋白的单倍体不足或异二聚化引起的，它们通过阻止 DNA 复制叉来促进 mtDNA 缺失。 mtDNA 缺失的逐渐积累导致肌纤维中 COX 缺乏，并导致临床表型。

杨等人（2011） 对 112 份疑似 mtDNA 复制缺陷患者样本中的 POLG2 基因进行了测序，但这些患者的 POLG 基因没有突变。在 8 名患者和 1 名未受影响的对照中发现了 8 个杂合 POLG2 变异。详细的体外功能表达研究表明，7 个新变体中只有 3 个：P205R（604983.0003）、R369G（604983.0004） 和 2 bp 缺失（L475DfsX2；604983.0005） 具有功能致病性。这些突变蛋白在 DNA 结合、与 mtDNA 聚合酶的 p140 催化成分的结合以及刺激 p140 诱导的引物延伸的能力方面表现出不同的缺陷，表明持续加工能力受到损害。表型变化很大，从儿童晚期发病的主要肌肉症状到婴儿期发病的发育迟缓和肝脏受累。鉴定出的其他变体 G103S、L153V、D386E 和 S423Y 被认为是多态性，因为它们在功能测定中表现出与野生型蛋白相似的活性。该研究强调，在将变异分类为致病性之前，需要定量表征变异的生化后果。

线粒体 DNA 耗竭综合征 16A（肝型）

Varma 等人在一名患有线粒体 DNA 耗竭综合征 16A（MTDPS16A; 618528） 的男性婴儿中导致婴儿期爆发性肝衰竭和死亡（2016） 鉴定出 POLG2 基因中的纯合错义突变（R182W; 604983.0006）。该突变是通过全外显子组测序发现并通过桑格测序证实的，在每个未受影响的亲本中都发现了杂合状态，证实了分离。尚未对该变体进行功能研究，但预计它会破坏 POLG2 同二聚化并导致进行性 mtDNA 合成丧失。患者组织表现出不同程度的 mtDNA 耗竭。霍夫等人（2018） 对 R182W 变体进行了功能研究，表明它对线粒体功能有有害影响。

线粒体 DNA 缺失综合征 16B（神经眼科型）

Dosekova 等人在一名 39 岁的线粒体 DNA 缺失综合征 - 16B（MTDPS16B; 619425） 患者中，表现为视神经萎缩、混合性多发性神经病、脊髓和小脑共济失调以及全身性舞蹈病（2020） 鉴定了 POLG2 基因错义突变的纯合性（D433Y; 604983.0008）。该突变是通过全外显子组测序发现的。深度扩增子测序显示，父母和 2 名同胞为突变携带者。与野生型相比，该突变导致 POLG2 蛋白稳定性降低和二级结构异常，并导致全酶的持续合成能力降低。

关联待确认

有关癫痫发作与 POLG2 基因变异之间可能关联的讨论，请参阅 604983.0007。

▼ 等位基因变异体（8 个精选示例）：

.0001 伴有线粒体 DNA 缺失的进行性外眼肌麻痹，常染色体显性 4
POLG2、GLY451GLU

在一名典型的迟发性进行性外眼肌麻痹（PEOA4; 610131） 的女性患者中，Longley 等人（2006） 在 POLG2 基因中发现了杂合 1352G-A（gly451 至 glu；G451E）突变。纯化的重组 G451E 取代的 p55 蛋白的体外生化特征表明，由于亚基相互作用受损，催化亚基的刺激不完全。尽管G451E p55保留了野生型结合DNA的能力，但它未能增强p140-p55复合物的DNA结合强度。

.0002 意义未知的变体
POLG2、24-BP INS、NT1207

该变异被归类为意义不明的变异，因为其对进行性外眼肌麻痹的贡献尚未得到证实。

沃尔特等人（2010） 在一名患有上睑下垂和轻度近端肌无力的 62 岁德国女性中，在 POLG2 基因的外显子 7 中发现了杂合 24 bp 插入（1207ins24）。在 100 名健康对照样本或 170 名肌肉中存在多个 mtDNA 缺失的患者中未发现该插入。然而，她的一个未受影响的兄弟也是该突变的杂合子；他 57 岁时没有任何症状，血清肌酸激酶正常。先证者在 30 岁时出现上睑下垂，但在四十多岁时没有出现眼肌麻痹以及近端和远端肌肉无力。她的高尔斯征呈阳性，有轻度脊柱侧弯，踮起脚尖和脚后跟行走困难。血清肌酸激酶轻度升高，肌肉活检未显示参差不齐的红色或 COX 阴性纤维。 Southern blot 和长程 PCR 分析检测到肌肉 DNA 中存在多个 mtDNA 缺失，RNA 分析显示 2 个条带：1 个对应野生型蛋白，1 个缺少外显子 7。cDNA 分析还显示低水平（10%） 的基因产物含有24-bp 插入。沃尔特等人（2010） 表明异常剪接的蛋白可能对 POLG2 的功能产生致病作用，因为它损害了持续合成所需的 C 末端结构域。兄弟缺乏症状可能是由于不完全外显。

.0003 伴有线粒体 DNA 缺失的进行性外眼肌麻痹，常染色体显性 4
POLG2、PRO205ARG

Young 等人在一名患有进行性外眼肌麻痹（PEOA4; 610131） 的 6 个月大男孩中进行了研究（2011） 鉴定出 POLG2 基因中的杂合 614C-G 颠换，导致保守残基处的 pro205 到 arg（P205R） 取代。体外功能表达研究表明，P205R突变蛋白组装成同型二聚体，但与DNA结合的能力比野生型弱4倍。该变体可以与 p140 催化亚基结合，但刺激 p140 介导的引物延伸的能力降低。婴儿烦躁，表现出生长迟缓、嗜睡、肌张力低下、肝病和难治性癫痫发作。

.0004 重新分类 - 意义未知的变体
POLG2、ARG369GLY

该变体以前的标题为“渐进性外眼肌麻痹伴线粒体 DNA 缺失，常染色体显性 4”，已根据 Lek 等人的报告重新分类（2016）。

Young 等人在一名患有 PEOA4（610131） 的 19 岁女性中进行了研究（2011） 鉴定了 POLG2 基因中的杂合 1105A-G 转变，导致高度保守残基处的 arg369 到甘氨酸（R369G） 取代。体外功能表达研究表明，R369G 突变蛋白对 p140 亚基的亲和力降低了 4 倍，并且在免疫共沉淀测定中与 p140 的结合降低；与 DNA 的结合基本上与野生型相似。 R369G 变体还表现出刺激 p140 介导的引物延伸的能力受损。患者有进行性眼外肌麻痹、运动不耐受、易疲劳、胃食管反流、胃排空延迟、呼吸功能不全、乳酸性酸中毒、生长迟缓等病史。肌肉活检显示线粒体异常。

莱克等人（2016） 指出，在 ExAC 数据库中，R369G 变体在南亚人群中具有较高的等位基因频率（0.0241）。然而，在拉丁裔人群中根本没有发现这种情况。在 12 个个体中发现该变异为纯合子，再加上等位基因频率较高，表明该变异不具有致病性。

.0005 伴有线粒体 DNA 缺失的进行性外眼肌麻痹，常染色体显性 4
POLG2、2-BP DEL、1423TT

Young 等人在一名患有进行性外眼肌麻痹（PEOA4; 610131） 的 8 岁男孩中（2011） 在 POLG2 基因的最后一个外显子中发现了一个杂合 2-bp 缺失（1423delTT），导致移码和提前终止（Leu475AspfsTer2）。最后一个外显子中的突变位置预计可以避免无义介导的 mRNA 衰减。体外功能表达研究表明，突变蛋白不能结合DNA，与p140的亲和力显着降低，并且不能刺激p140介导的引物延伸。突变蛋白还表现出异常折叠，由于异常二硫键的形成而发生聚集。患者患有新生儿肌张力低下、发育迟缓、癫痫发作、便秘、肝酶异常、酮症、皮质失明和小脑萎缩。

.0006 线粒体 DNA 缺失综合征 16A（肝型）（1 名患者）
POLG2、ARG182TRP

Varma 等人在一名患有线粒体 DNA 耗竭综合征 16A（MTDPS16A; 618528） 的男性婴儿中导致婴儿期爆发性肝衰竭和死亡（2016） 在 POLG2 基因中鉴定出纯合 c.544C-T 转换（c.544C-T, 007215.3），导致在脊椎动物中保守的二聚化碱基中的残基处发生 arg182-to-trp（R182W） 取代。该突变是通过全外显子组测序发现并通过桑格测序证实的，在每个未受影响的亲本中都发现了杂合状态，证实了分离。在千基因组计划、外显子组变异服务器和 ExAC 数据库中未发现该变异。尚未对该变体进行功能研究，但预计该变体会破坏 POLG2 同二聚化并导致进行性 mtDNA 合成丧失。患者组织表现出不同程度的 mtDNA 耗竭。

霍夫等人（2018） 对 R182W 变体进行了功能研究。与对照组相比，患者来源的成纤维细胞表现出与 mtDNA 拷贝数减少以及 POLG（174763） 和 POLG2 mRNA 水平降低相关的生长缺陷。转染该突变的 HEK293 细胞表现出氧化磷酸化缺陷、呼吸活动受损和 ATP 产生减少。 R182W 蛋白表现出与野生型 POLG2 类似的 DNA 结合能力以及与 POLG 的关联。然而，与野生型相比，突变蛋白表现出热稳定性降低，表明结构不稳定，并且刺激 POLG 的能力受损。

.0007 意义未知的变体
POLG2，GLY232SER（rs143660836）

该变异被归类为意义不明的变异，因为其对癫痫发作的贡献尚未得到证实。

Lee 等人发现，一名 27 岁男性，父母是巴基斯坦近亲所生，23 岁时出现难治性局灶性和全身性癫痫发作（2019） 鉴定了 POLG2 基因中的纯合 c.694G-A 转变，导致脊椎动物中的保守残基处发生 gly232 到 Ser（G232S） 的取代。每个未受影响的父母都是杂合突变，在 300 个对照中没有观察到这种突变，但在几个公共人类基因组数据库中很少报道（南亚人群中的等位基因频率小于 0.0002）。尚未对该变异进行功能研究，但患者及其母亲的 mtDNA 中有一个新的 3.5 kb 缺失，影响了至少 10 个基因。患者脑部成像正常。他已故的弟弟也患有顽固性癫痫，但无法获得 DNA。患者和父母均未患有肝病、眼肌麻痹、眼球震颤或肌病。

.0008 线粒体 DNA 缺失综合征 16B（神经眼型）（1 名患者）
POLG2，ASP433TYR

Dosekova 等人在一名 39 岁女性中患有线粒体 DNA 缺失综合征 - 16B（MTDPS16B; 619425），表现为视神经萎缩、混合性多发性神经病、脊髓和小脑共济失调以及全身性舞蹈病（2020） 鉴定了 POLG2 基因中 C 至 A 颠换（chr17.062474101C-A，GRCh37）的纯合性，导致 asp433 至 tyr（D433Y）取代。该突变是通过全外显子组测序鉴定的。深度扩增子测序显示，父母和 2 名同胞为突变携带者。该突变不存在于 gnomAD 数据库或包含 1,000 名斯拉夫个体的外显子组数据库中。通过圆二色光谱对D433Y突变的POLG2蛋白进行分析表明，与野生型相比，突变蛋白的二级结构发生了整体变化。此外，突变蛋白的解链温度低于野生型蛋白，表明蛋白稳定性降低。与野生型相比，突变蛋白还导致全酶的持续合成能力降低。